PROCEDIMIENTO PARA LA DISCRIMINACIÓN DE USOS DE SUELO Y CUANTIFICACIÓN DE CUBIERTAS VEGETALES MEDIANTE TELEDETECCIÓN CON FOTOGRAFÍA AÉREA.
SECTOR DE LA TÉCNICA
Primer sector: AGRICULTURA. Segundo sector EMPRESAS DE ASISTENCIA TÉCNICA AGRARIA O MEDIOAMBIENTAL, o bien AUDITORÍAS AGROAMBIENTALES PÚBLICAS (ADMINISTRACIONES PÚBLICAS) O PRIVADAS. El segundo sector se refiere al seguimiento de los productores agrícolas que utilicen tecnologías de conservación en olivar u otros cultivos leñosos consistentes en el mantenimiento de cubiertas vegetales entre hileras de árboles con objeto de alcanzar beneficios medioambientales como reducción de la erosión del suelo, aumento de la lluvia infiltrada o disminución de la evapotranspiración del suelo. La técnica de teledetección objeto de esta patente permitirá que determinadas empresas, como por ejemplo las auditorías agroambientales de las Administraciones Públicas o de entidades pπvadas, discriminen la existencia o no de cubiertas vegetales en cultivos leñosos así corno la extensión relativa o porcentaje de cobertura, lo que puede ser necesario para obtener el derecho de recepción de ayudas/ subvenciones .
ESTADO DE LA TÉCNICA
- Teledetecciόn: breves fundamentos
La teledetección es una tecnología que consiste en captar información de los objetos o accidentes que ocurren en la superficie terrestre o en la atmósfera sin entrar en contacto físico con ellos. Comprende la medida y el registro de la energía electromagnética reflejada o emitida por éstos, y conlleva la interpretación y relación de esta información con la naturaleza y propiedades de éstos. La captura de la energía reflejada se lleva a cabo mediante sensores remotos instalados en plataformas aerospaciales (satélites y aviones) que registran la energía reflejada correspondiente a diversas frecuencias del espectro electromagnético que van desde las ondas de radio de baj f ecuencia pasando por el espectro visible [bandas azul, verde y roja) hasta los rayos X, gamma e incluso
cósmicos. Cada cuerpo o cubierta terrestre presenta una forma peculiar de reflejar o emitir energía que se conoce como signatura o firma espectral (Chuvieco, 2002).
- Teledetecciόn: Clasificación de usos de suelo En las investigaciones de teledetección es esencial conocer el comportamiento o signatura espectral de cada una de las diversas superficies o usos de suelo a las diferentes longitudes de onda. La energía reflejada a las longitudes de onda roja e infrarroja es sensible a las variaciones del cultivo y suelo (Cloutis et al., 1996). Cultivos densos y sanos se caracterizan por una elevada absorción de energía roja y una alta reflectancia de la radiación infrarroja. Con frecuencia es conveniente combinar estas medidas (y otras en otras bandas) en un solo índice que resalte la sensibilidad a las variaciones en el cultivo. Dichos índices son conocidos como índices de vegetación. Hay un gran número de ellos, tantos como operaciones matemáticas queramos definir. Sus ventajas son: 1) aumentar las diferencias relativas entre los valores digitales que caracterizan cada uso del suelo, 2) reducir el número de datos obtenidos a un solo valor característico, 3) obtener valores adimensionales que permiten su comparación espacial y temporal y, 4) en ocasiones, eliminar efectos indeseados de iluminación, orografía, etc. (Jackson and Huete, 1991). Uno de los más conocidos es el NDVI (Normalised Difference Vegetation Index). Una actividad fotosintética alta, es decir una vegetación sana y vigorosa, implica un alto valor de NDVI debido a una alta reflectividad en la banda del infrarrojo cercano y una alta absorción de energía en la banda roja. Por tanto, NVDI, calculado con medidas en tierra (Kanemasu 1990), imágenes de satélite (Anderson et al., 1993) o fotografías áreas (Denison et al., 1996) presenta una alta correlación con la producción final del cultivo.
Los trabajos sobre clasificación de los usos del suelo mediante imágenes satélite de resolución espacial media / baja o fotografías aéreas utilizando índices de vegetación se pueden considerar como clásicos en teledetección y se han llevado a cabo en áreas muy diversas: costeras, parques naturales, masas forestales, zonas agrícolas, entre otras muchas. Citando los trabajos más recientes, se han realizado estudios con objeto de detectar de forma sistemática las anomalías en el desarrollo de los cultivos de regadío en Aragón (López-Lozano y Casterad, 2003), con el fin de monitorizar el crecimiento
de cultivos con datos biofísicos como altura de la planta, LAI y biomasa (Calera et al., 2001; 2002), o con el objetivo de estimar el efecto a largo plazo de los cambios en los usos de suelo sobre la evapotranspiración de los cultivos utilizando imágenes Landsat 5 TM y Landsat 7 ETM+ de 1982 a 2000 (Lanjeri et al, 2001; 2002) en la zona de Castilla- La Mancha. También se están obteniendo resultados en la teledetección de malas hierbas en cultivos con sensores aerotransportados multiespectrales (Goel et al, 2002).
- Técnicas de conservación: el caso del olivar El cultivo del olivo es de suma importancia en la mayoría de países de la zona mediterránea (12.4 millones de ha. de los que 2.4 están en España; Civantos, 2001), pero está provocando cuantiosas pérdidas de suelo cultivable cada año. Para que este cultivo se mantenga en el futuro es necesario reducir las enormes tasas de erosión (una media de 40 a 80 ton/ha-año; Laguna, 1989; Pastor-Muñoz y Castro -Rodríguez, 1997). Para ello, se han desarrollado las técnicas de agricultura de conservación (también denominadas técnicas conservacionistas) que promueven el cultivo de cubiertas vegetales (principalmente gramíneas) entre las hileras y sobre el suelo desnudo del cultivo leñoso (frutales o cítricos y olivar) con objeto de frenar el impacto de las gotas de lluvia sobre el terreno y el arrastre de sedimentos (García-Torres, 2000).
Desde 1999, la Unión Europea ha desarrollado una serie de disposiciones para promover la conservación del suelo agrícola y reducir su erosión (Reglamentos Europeos 1257/1999, 1259/1999 y, recientemente el 1782/2003), y que han sido incorporadas a la Normativa Española por el Real Decreto 4, 2001. Previas a esta normativa, el Gobierno Andaluz desarrolló de forma pionera, una serie de Órdenes encaminadas a financiar ayudas a aquellos agricultores que apliquen estas técnicas conservacionistas, exigiendo que el mínimo porcentaje de cubierta vegetal en la finca de olivar sea del 40 % (BOJA, 1998; BOJA, 2003). Determinar este porcentaje de cobertura directamente en campo ("in situ") resulta prácticamente inviable desde un punto de vista técnico y económico. Sin embargo, las técnicas de teledetección son muy adecuadas por los siguientes motivos: 1)
el sensor utilizado (satélite o fotografía aérea) registra lo que hay en campo (objetividad), 2) el procedimiento de análisis de la imagen obtenida es rápido una vez se ha puesto el método a punto, 3) permiten trabajar de forma secuencial, 4) evitan los muéstreos en campo (eluden problemas meteorológicos), y 5) posibilitan la planificación de la toma de imágenes en el momento oportuno y el retraso de su análisis el tiempo necesario, en caso de que fuese necesario, sin perder por ello información.
- Uso de Cubiertas vegetales: breves fundamentos
Las cubiertas vegetales pueden ser de diferente composición, si bien principalmente están constituidas por especies de gramíneas u hoja ancha, bien de una sola especie o mezcla de varias. Entre las más utilizadas están la cebada: (Hordeum spp), distintas especies de Avena, vallico (Lolium rigidum), cruciferas (Sinapis spp), o leguninosas (Veza spp). Su objetivo es interceptar las gotas de agua de lluvia y aumentar la velocidad de infiltración del terreno (reduciendo la escorrentía). Asimismo, su presencia conlleva la inexistencia de labores en campo evitando así la evapotranspiración del agua del suelo. Las cubiertas se siembran a primeros de otoño entre las calles del cultivo, germinan con las primeras lluvias y se establecen durante la primavera (Figuras 1 a y 1 b). Posteriormente (la segunda quincena de marzo), con objeto de interrumpir su ciclo vegetativo y evitar competencia del olivo (u otro árbol frutal) por agua y nutrientes, se siegan mecánica (con desbrozadoras) o químicamente (con herbicidas de traslocación o acción total: sulfosato o glifosato; Figuras 1 c y 1 d). La técnica que se describe a continuación está basada en el análisis de imagen de fotografías aéreas que permiten: 1) discriminar las cubiertas vegetales, el suelo desnudo y los árboles del cultivo leñoso, y 2) cuantificar el porcentaje de superficie que éstos ocupan en una determinada finca.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
- Breve descripción de la invención
El objeto de invención de la presente patente es un procedimiento para la discriminación de usos de suelo y la cuantificación de cubierta vegetal mediante teledetección, que comprende las siguientes etapas: a) toma de fotografía aérea color, posterior digitalización y análisis de imagen
b) georreferenciación mediante GPS diferencial para asignar las coordenadas a las fotografías aéreas c) separación de bandas del espectro visible (azul: A, verde: V y rojo: R) a partir de los valores digitales asignados a cada pixel d) cálculo de índices de vegetación basados en las tres bandas separadas en el punto c) e) definición, mediante un proceso iterativo, de los niveles digitales frontera que caracterizan cada uso de suelo f) clasificación de la imagen por separación de clases, basada en los niveles digitales frontera definidos en el punto e) g) posterior selección de los índices de vegetación calculados en d) que proporcionan mayor precisión en la clasificación (porcentaje de píxeles correctamente clasificados), obtenida a partir de las matrices de confusión h) verificación de la exactitud de la clasificación mediante un mapa- verdad-terreno i) determinación de la superficie total y el porcentaje de cada uno de los usos del suelo.
Los índices de vegetación utilizados son A/R, A/(V+R) y A/(A+V+R) y los intervalos de los niveles digitales frontera definidos oscilan entre 0.60-0.90, 0.30-0.46 y 0.20-0.30 para cada índice, respectivamente. Las fotografías aéreas se toman en verano.
Otro objeto de la presente invención es la utilización de este procedimiento para discriminar distintos usos de suelo (cubiertas vegetales, suelo desnudo y árboles del cultivo leñoso) y cuantificar el porcentaje de superficie ocupada por cada uno de ellos.
Este procedimiento puede utilizarse en cultivos de árboles leñosos, preferentemente en olivar y cítricos.
- Breve descripción del contenido de las figuras
Figura 1. Distintos estados fenológicos de las cubiertas vegetales de gramíneas en olivar: a) y b) cubiertas vegetales en pleno desarrollo y antes de su siega química (foto tomada en marzo); c) y d) cubiertas vegetales secas (foto tomada en verano).
Figura .2. Fotografías aéreas color de las fincas objeto de estudio: a) La Cubana, b) Cortijo del Rey, y c) Matallana (Prov. de Córdoba).
Figura 3. Imagen aérea en color (digtalizada y georreferenciada) de la finca Cortijo del Rey (Córdoba).
Figura 4. a) Ejemplo de una porción de una de las fincas estudiadas en la que se ven los valores digitales de las tres bandas (de 0 a 255) antes de la separación de éstas. Separación de bandas con los valores digitales correspondientes a: b) azul, c) verde y d) roja.
Figura 5. Imagen del índice de vegetación (A/A+V+R) en la que el color azul ( •) discrimina la cubierta vegetal, el rojo ( • ) los árboles y en verde ( * ) el suelo desnudo. Figura 6. Vista de a) las "subparcelas de entrenamiento" (de 200 x 200 m) y b) las "minizonas de entrenamiento (de 40 x 40 m) en el interior de las subparcelas y representadas en negro.
Figura 7. Subparcelas de verificación de 50 x 50 m de las 3 fincas: a) mapas- verdad- terreno; b) vectorización de los distintos usos del suelo; c) rasterización de los distintos usos de suelo. En azul ( • ) se representan los árboles, en rojo ( • ) la cubierta vegetal y en amarillo ( ) el suelo desnudo
- Descripción detallada de la invención
La técnica de teledetección objeto de la patente se ha aplicado en varias fincas de olivar de unas 40 ha. de la provincia de Córdoba (La Cubana, Cortijo del Rey y Matallana) en las que las técnicas conservacionistas con siembra de cubiertas vegetales están implantadas desde hace 8-10 años. Se utilizaron fotografías aéreas color en verano en las que la cubierta se encontraba totalmente desecada (Figura 2). Los usos de suelo que se han discriminado son: suelo desnudo, cubierta vegetal y olivo. También se han estudiado en todo este proceso fotografías aéreas infrarrojo color en primavera y verano, pero no se han obtenido resultados concluyentes. El siguiente esquema presenta los pasos a seguir para desarrollar la metodología objeto de esta patente.
Foto Color Verano >-Digitalización — Equipo Informático — Coordenadas Finca
Importación de las fotografías al software de análisis de imagen
Georreferenciación
Separación de Bandas (Azul, Verde, Rojo)
Cálculo de índices (A/R; A/V+R; A/A+V+R)
Definición de los niveles digitales frontera que caracterizan cada uso de suelo en cada índice
Clasificación de la imagen (de la finca)
Discriminación Usos del Suelo Estimación Superficie y Porcentajes de Suelo Desnudo Vegetación (cubierta y árboles)
- Trabajos de campo
Varios días antes de la realización de cada vuelo para la obtención de las fotografías aéreas, se visitaron las fincas objeto de estudio para: 1) determinar el estado de desarrollo y grado de cobertura de las cubiertas vegetales, de otros usos de suelo y accidentes visibles en las imágenes (restos de poda, montones de leña, pozos, entre otros) que fuera necesario identificar; y 2) georreferenciar 30 puntos por finca en distintas parcelas mediante el uso de un GPS diferencial (precisión centimétrica). Posteriormente, dicha georreferenciación fue utilizada como puntos de control para asignar las coordenadas de las fotografías aéreas.
- Tratamiento previo de las fotografías
Las fotografías se digitalizaron utilizando un escáner Hewlett Packard modelo ScanJet 4C, obteniéndose píxeles de 40 x 40 cm (635 ppi). Las fotografías digitalizadas se importaron al programa informático de análisis de imagen que vaya a utilizar el usuario Posteriormente se asignaron coordenadas geográficas a los píxeles de la imagen para poder superponerla con la cartografía existente (Figura 3). Dicha asignación de coordenadas de los 30 puntos de control por fotograma, se efectuó basándose en la georreferenciación in situ de las visitas a las fincas antes descritas, o determinando puntos singulares en el mapa digital 1:10.000 de la Junta de Andalucía.
Con los valores digitalizados asignados a cada píxel (Niveles Digitales, de 0 a 255; Figura 4 a) se efectuaron diversas separaciones de las bandas del espectro visible: Azul (A), Verde (V) y Rojo (R) (Figuras 4 b, 4 c y 4 d) con objeto de operar matemáticamente (obtención de índices de vegetación) con tales niveles digitales y obtener nuevas imágenes que facilitaran la discriminación entre las superficies de olivo, cubierta vegetal y suelo.
- Preselecciόn visual de índices
Los índices de vegetación seleccionados fueron (A/R), (A/V+R) y (A/A+V+R) (Figura 5). La imagen obtenida de cada índice se comparó mediante fotointerpretación con la imagen de las fincas, observando si se podía identificar alguno de los usos del suelo que se pretendían discriminar (suelo desnudo, cubierta vegetal y olivo). Para ello, se
establecieron en diversas zonas de las fincas estudiadas una serie de "subparcelas de entrenamiento", de 200 x 200 metros (Figura 6 a) mediante recortes de la imagen, a fin de perfeccionar la capacidad de interpretación visual de los diversos índices. Igualmente se establecieron una serie de "minizonas de entrenamiento" de dimensiones de 40 x 40 metros (Figura 6 b), en las que se distinguían con claridad los usos del suelo. En dichas "minizonas", además del análisis visual, se efectuó una estimación cuantitativa (análisis numérico) del grado de discriminación entre usos de suelo, el cual se describe más adelante.
La selección de los índices citados anteriormente se realizó en base a que cumplían los siguientes requisitos:
1. Discriminaban al menos uno de los tres usos del suelo en todas las "subparcelas de entrenamiento" de cualquiera de las tres fincas objeto de estudio. 2. Discriminaban al menos un mismo uso del suelo en todas las "minizonas" de las tres fincas objeto de estudio.
3. Alcanzaban la mayor "Exactitud Global o Precisión en la clasificación " (próxima al 85 %) en las tres "minizonas de entrenamiento", siendo ésta el porcentaje de píxeles correctamente clasificados y calculándose a través de las matrices de confusión cuya mayor ventaja consiste en que eliminan los errores subjetivos que se cometerían en un análisis por comparación visual de las imágenes (Oetter et al, 2000). A su vez, para la obtención de la matriz de confusión es necesario realizar una clasificación de la imagen por separación de clases. Esto consiste en determinar sobre la imagen generada de cada índice seleccionado, los niveles digitales característicos de cada uso de suelo y el nivel digital frontera entre ellos, procediéndose a clasificar la imagen en base a dichos valores de separación (Andreasen et al., 1997). La determinación de los niveles digitales frontera se realiza mediante un proceso iteractivo que escoge el valor óptimo que da lugar a una clasificación más exacta (Congalton, 1991). En la Tabla 1 se muestran los intervalos de los niveles digitales frontera para la discriminación de la cubierta vegetal utilizando los índices de vegetación estudiados. El nivel digital frontera óptimo, es decir, aquél que da como resultado la clasificación más exacta, está
incluido en estos intervalo y su valor concreto varía según las minizonas de entrenamiento y la finca objeto de estudio.
Tabla 1. Intervalos de los Niveles Digitales Frontera para la discriminación de cubiertas vegetales según los distintos índices de vegetación estudiados. índices de vegetación Nivel Digital Frontera Stretch 1
~A/R 0.60 - 0.90 5 - 90 A/(V+R) 0.30 - 0.46 0 - 50 A/(V+R+A) 0.20 - 0.30 0 - 80 1 Stretch: procedimiento habitual de expansión del histograma (entre 0-255) de los valores digitales de cada índice de vegetación estudiado con objeto de mejorar la visualización de los fotogramas. - Verificación de la exactitud de la clasificación Finalmente el usuario debería proceder a la verificación de la clasificación de los distintos usos de suelo que ha efectuado el índice con el que ha trabajado. Para ello, se escogerá una "subparcela de verificación1'' de 50 x 50 m por cada 10 ha. de superficie de la finca objeto de análisis con el fin de utilizarlas como "mapa-ver dad-terreno''' de los usos de suelo presentes en la imagen (Figura 7 a). Dicho mapa será creado por el fotointerpretador mediante vectorización de los bordes que se visualizan entre olivo, cubierta vegetal y suelo desnudo dando lugar a un mapa- vectorial (Figuras 7 b). A continuación dicho mapa-vectorial se rasteriza (será convertido por el software de análisis de imagen que se esté utilizando en un mapa ráster) creándose finalmente el mapa- verdad-terreno (Figuras 7 c). Existen programas que rasterizan directamente el mapa vectorizado, sin embargo otros programas realizan un paso intermedio que consiste en obtener un mapa de polígonos en el que se editan los usos del suelo. Seguidamente, éste es el que se transforma en un mapa ráster. Por último, se cuantificará numéricamente la exactitud global de la clasificación efectuada en la subparcela de verificación aplicando la matriz de confusión entre mapa- verdad-terreno y la imagen clasificada por el índice utilizado. Dicha exactitud debe ser mayor del 80%, ya que si es menor un gran número de píxeles se están clasificando erróneamente. Además, la exactitud global de la finca completa se determinará
mediante el cálculo de la media de la exactitudes globales (parciales) obtenidas en cada subparcela de verificación.
Después de verificar la clasificación y extenderla a la totalidad de la finca el programa de tratamiento de imagen que haya elegido el usuario determinará automáticamente la superficie total y el porcentaje de cada uso de suelo en la finca en base a la georreferenciación efectuada.
EJEMPLO DE LA REALIZACIÓN DE LA INVENCIÓN En la Figura 3 se muestra una imagen aérea en color georreferenciada de la finca de olivar con cubiertas situada en Cortijo del Rey (provincia de Córdoba). Con los valores digitalizados asignados a cada píxel (Niveles Digitales de 0 a 255; Figura 4 a) se efectuaron las diversas separaciones de bandas del espectro visible en Azul (A), Verde (V) y Rojo (R) (Figuras 4 a, 4 b y 4 c) para poder operar matemáticamente (obtención de índices de vegetación) con éstas y obtener nuevas imágenes que faciliten la discriminación entre las superficies de olivo (o frutales), suelo desnudo y cubierta vegetal.
Los números de las celdillas en cada fotograma corresponden al valor de la reflectividad captada por el sensor en el píxel indicado, según la longitud de onda de que se trate (en fotografía color, sería la de las bandas azul, verde y rojo). Dicho valor se representa según una escala del 0 al 255, que van desde el negro hasta el blanco, respectivamente, cambiando según niveles de gris. No obstante, para facilitar la representación se ha utilizado el pseudocolor que es una combinación de los colores primarios azul, verde y rojo en lugar de los niveles de gris, para intentar realzar el análisis de la imagen (azules para valores bajos, verdes para valores medios y rojos para valores elevados, según la escala del 0 al 255). Varios autores han puesto en evidencia que el ojo humano es más capaz de distinguir tonos de color que intensidades de gris (Jiménez y García, 1982).
En la Figura 5 se muestra un ejemplo de uno de los índices seleccionados (A/A+V+R) discriminando los tres usos de suelo estudiados y representada en
pseudocolor. En la Figura 6 se muestran las "subparcelas de entrenamiento" y las "minizonas de entrenamiento" que se utilizaron para perfeccionar la capacidad de interpretación visual de los diversos índices (apartado 4.3 de la presenta memoria). Finalmente se clasificó la imagen a través del método de "Separación de clases" que consiste en determinar sobre la imagen generada por el índice seleccionado los niveles digitales de cada uso de suelo y el nivel digital frontera entre ellos para proceder en último término a clasificar la imagen en base a estos valores de separación o frontera. En la Figura 7 se muestran las dos clasificaciones de imagen obtenidas del índices (A/A+V+R).
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